采用粉喷桩加固处理高速公路软土地基的应用研究

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采用粉喷桩加固处理高速公路软土地基的应用研究

陈景明

摘 要：粉喷桩具有设备简单，见效快，成本低。施工过程中无振动，无噪声、无泥浆排出污染环境等优点，已在国内外得到推广应用。本文探讨了粉喷桩的加固原理、材料和施工机械的要求，依据工程实例，提出了采用粉喷桩对某高速公路软土地基加固处理的技术要求。

关键词：粉喷桩 软土地基 技术要求

0 引言

　 京福高速公路徐州绕城西段实践证明，采用粉喷桩方法加固软土地基具有许多优点：如能有效地减少地基的总沉降量，这对控制路堤的工后沉降和解决桥头"跳车"具有明显的效果，具体表现在地基加固深度内沉降量的大幅度减少。经加固后路基在填筑过程中侧向位移明显减少，而且在较短时间内即趋稳定。侧向位移的减少，不仅能增加路基的稳定，特别在桥涵与路堤连接处保护桥台桩基不受过大的侧向推力，而且也减少地基的沉降。粉喷桩复合地基能提高地基土的承载力，适应快速填筑施工，与排水固结法相比，可以允许有较高的填土速率[2]。但是，粉喷桩法在实际应用中尚有一些问题需要进一步探讨，有一些缺点需要克服。

1 水泥粉喷搅拌桩的加固原理

水泥在一定条件下按一定比例被掺入土中,通过强制搅拌使土与水泥充分混合,水泥的水解和水化反应所生成的水泥水化物(氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙)与颗粒发生离子交换、团粒化反应,析出的大量钙离子与土中的矿物质(二氧化硅、三氧化铝)进行化学反应,生成不溶于水的微晶凝胶,微晶凝胶在空气中逐渐硬化,形成具有整体性、水稳性和一定强度的柱状体,使它与柱状体之间的土共同支承上部荷载,组成复合地基,从而加固了地基[3]。

2 粉喷桩材料要求及主要施工机械

2.1粉喷桩材料要求

水泥宜采用普通硅酸碱水泥和矿渣水泥，各种指标要符合规范要求，严禁使用过期、受潮、结块等的劣质水泥[4]。

2.2主要施工机械

包括钻机、喷粉机、空气压缩机、搅拌钻头、发电机、翻斗机。

(1)钻机要求动力大，扭矩大，适合大直径钻头成桩，具有正向钻进，反向提升的功能，提升力大并能匀速提升[1]。

(2)喷粉机，能满足定时定量均匀发送粉体材料，并附有自动计量器。

(3)空气压缩机，根据工程地质条件和加固深度空气压力一般为0.2MPa～0.4MPa。

(4)搅拌钻头，钻头形式应保证反向旋转提升时对桩中主体有压率作用，钻斗直径应与设计桩径相适应，一般为30cm～50cm [4]。

3 采用粉喷桩加固处理软土地基

3.1工程概况

京福高速公路徐州绕城西段JF－XRC－1合同段施工里程K0+000～K3+870,全长3.87km。其中粉喷水泥搅拌桩处理总长度为1855m，总桩长为156135m，水泥搅拌桩设计桩径均为50㎝。

水泥粉喷桩设计每根桩长为6.5～18.5m，桩径50cm，桩间距为1.2m～1.4m，成梅花形布置。①纵向处置范围:大桥、中桥：两侧桥台台后各50m，过渡段长20m，以桩间距进行过渡，台前处理至1.5倍的桥台高度范围以外不少于一排桩；小桥及桥式通道：两侧桥台台后各25m，过渡段长度10m，以桩间距进行过度，台前处治范围同上；箱形构造物：中心线两侧各20m；圆管涵：中心线两侧各15m。②横向处治范围：采用水泥搅拌桩处理时，横向处治范围为：路基坡脚外不少于一排桩。对有软基处理要求的路段，尽早进行处理，尽快为路基填筑提供工作面。对有预压要求的路段，尤其是桥头路段和箱涵相接路段，在施工安排上尽早地堆载预压。

3.2 水泥粉喷桩施工

在粉喷桩施工前，根据现场实际情况，首先取26根桩进行成桩试验，取得各种机械参数，以确保大面积施工质量。在试桩的基础上，开始进行大面积的粉喷桩施工。通过施工，水泥粉喷桩施工的特点如下：

1)施工工艺

（1）施工准备

用全站仪将路基中心及左右边桩测出,并定出桥涵等结构物桥台的平面位置,用推土机进行清表,将原地面表层土及腐植物等清除干净,并整平碾压,达到密实度要求85%以上.清表碾压满足要求后,用素土回填30cm厚, 整平碾压,压实度不小于88%。再用全站仪,将水泥搅拌桩段落逐排桩桩位定出，并标明桩排号及孔编号。

（2）喷粉水泥搅拌桩施工工艺

(1)通过测量定出桩位。

(2)搅拌机械运到工地后,先安装调试,待转速、空压正常后,再开始钻机就位。

(3)将搅拌头对准桩位，调平桩机机身，保证桩的垂直度，启动主电机下钻，待搅拌钻头接近地面时，启动空压机送气，继续钻进。

(4)钻到设计孔深时，停止钻进，钻头反转，但不提升。实际工作中，钻进深度D由深度尺盘按D=H+a1+a2确定。其中H为设计加固深度；a1为搅拌钻头喷射口与地面平行时深度尺盘的读数，可事先调整为a1=0；a2为机身调平后，桩机横移槽距地面的高度。

(5)打开送料阀门，关闭送气阀们，喷送水泥粉料。

(6)确认加水泥料已到达桩底后，提升搅拌钻头。从桩底向上喷粉,同时搅拌提升,直至离地面50cm,再重新搅拌至桩底,最后搅拌提升至地面以下50cm止。

(7)搅拌钻头提升到设计标高时，停止喷粉。停止喷粉深度应结合搅拌提升的速度确定。

(8)打开送气阀门，关闭送料阀门，但空压机不要停机，搅拌钻头提升至桩顶距地面50cm时，停止提升，在原位转动两分钟，以保证桩头密实均匀。

(9)搅拌钻头再钻至设计桩底深度，进行第二次搅拌。

(10)将搅拌钻头提出地面，停止主电机、空压机，填写施工记录。将地面以下未喷水泥的50cm，用水泥土回填，并捣实。

(11)移动桩机到下一桩位。

2)机械施工参数

通过大量的施工实践，钻机的机械施工参数为：

(1)钻进速度V<1.0 m/min

(2)提升速度0.4～0.7 m/min

(3)搅拌转数r=30～50转/min。

3.3 施工质量标准与质量检测内容

1)施工质量标准

粉喷桩施工质量标准见表1。

表1 喷粉水泥搅拌桩施工允许偏差



项次 项目 单位 允许偏差 检测方法和频率

1 桩距 m ±15 抽查2%

2 桩长 m 不小于设计值 查施工记录

3 桩径 m 不小于设计值 抽查2%

4 垂直度 % <1.5 查施工记录

5 单桩喷粉量 % 不小于设计值 查施工记录

6 强度 MPa 不小于设计值 抽查2%

2）检测

对已完成的粉喷水泥搅拌桩进行检测：

(1)检测桩距、桩径、桩长、桩身质量及粉喷量。

(2)检查水泥存量变化原因、空水泥袋数量及空水泥袋移交记录。检查实际水泥用量。

(3)检测总桩数是否满足设计要求。

(4)当成桩龄期达到28d后，检测无侧限抗压强度。

3.4质量保证措施与体系

路基土石方填筑必须在水泥搅拌桩施工28d后才能进行，所以整个路基工程能否顺利按计划完成，水泥搅拌桩施工的进度和质量是关键之一。鉴于此，为了保证水泥搅拌桩施工优质、高效、快速的进行，根据水泥搅拌桩施工质量标准制订了如下的现场施工管理措施：

(1)项目部成立一个专门质量体系小组,建立了明确的质量管理体系机构，明确责任，建立值班巡查制度。

(2)加强对水泥质量的检测，保证水泥品质、严禁使用劣质水泥进行施工。

(3)确保水泥搅拌桩的水泥用量：建立水泥用量台帐。每根桩施工前、进货、转场时均登记各机组水泥数量以及水泥袋数量。台帐由旁站人员填写、保管，旁站人员对水泥用量台帐负责。

(4)保证桩位的准确。由测量班派专人承担水泥搅拌桩桩位的测量、定位。使用全站仪、J2型水准仪和钢卷尺定位，用竹签标出桩位；施工时重新复测桩位，保证桩位误差小于5cm。

(5)严格按照成桩试验确定的施工工艺和技术参数进行施工，操作人员随时记录压力、喷粉量、钻进深度、钻进及提升速度等相关参数。保证钻进深度、钻进速度及复搅深度。

(6)粉体发送器必须带有计量装置，并记录瞬间喷入量和累积喷入量。

(7)严格控制喷粉标高和停粉标高,不得中断喷粉,确保桩体长度;严禁在尚未喷粉的情况下进行钻赶提升作业。

(8)施工中若发现喷粉量不足，应整桩复打，复达的喷粉量仍应不小于设计用量。如遇停电，机械故障等原因，喷粉中断时，必须复打，其重叠段应大于1m。

(9)储灰罐容量应不小于一根桩的用量加50kg；灰量不足时不得开钻下一根桩。

(10)经常测量钻头直径，控制钻头的磨耗量不大于1cm，以保证桩径符合施工质量标准。

3.5 工程实例的质量检测结果

粉喷桩质量检测主要采用桩体上部开挖、桩体抽芯和静载试验的方法。

（1）通过对粉喷桩桩体上部开挖，桩体完整，加固剂分布的均匀符合设计要求。

（2）通过对已有施工的粉喷桩分别进行28d和90d抽芯检测，水泥土结石体的28d龄期的无侧限抗压强度大于0.8MPa,90d龄期的强度大于1.2 MPa，检测桩身的无侧限抗压强度否满足设计要求。

(3)通过单桩允许值承载力和双桩允许复合地基承载力的静载试验，其单桩允许值承载力和双桩允许复合地基承载力(28d)分别达到300kPa和130kPa，满足设计要求。

4结语

水泥粉体喷射搅拌法是近年发展起来的一种软土地基加固的方法，是在高压旋喷注浆法处理软弱地基基础上发展起来的一种深层地基处理技术。采用压缩空气将水泥粉体输送到软土地层中，通过钻头的强制搅拌，使水泥粉料和原位地基软土混合在一起，形成具有整体性、水稳性好和一定强度的柱状加固体，从而形成复合地基，提高地基的承载力[5]。对京福高速公路徐州绕城西段深层软土地基采用粉喷桩加固处理是一种可行性强的最佳方案，粉喷桩在处理软土地基时，桩径宜为50cm，桩长和桩间距应根据软土性质和公路工程特点确定，桩的布置原则以“梅花形”为主。其主要技术要求是：①施工准备应予以重视，喷粉水泥搅拌桩施工工艺严格按照顺序和要求进行。②施工时，钻进速度V<1.0 m/min；提升速度0.4～0.7 m/min；搅拌转数r=30～50转/min。③由于粉喷桩施工属于地下隐蔽工程，应严格按施工质量标准与质量检测内容，建立质量保证措施与体系，保证施工质量。④施工完工后，应采用不同的检测方法，评价粉喷桩施工的质量，做到万无一失。随着岩土工程技术的不断提高，粉喷桩加固处理软土地基会得到更广泛的使用。



参考文献

[1]魏列钰.应用粉喷桩技术处理富含水软弱地基[J].建筑技术.2002(3):153～154.

[2]何玉香.粉体喷搅法在京九线软土路基处理中的应用[J].建筑结构与施工.1994(4):48～49

[3]安雪鹏.水泥粉喷桩加固软基施工工艺及质量控制[J].交通科技.2004(6):60～62.

[4]李彬.粉体喷射搅拌桩处理软土地基[J].山西建筑.2005(2):54～55.

[5]刘石霖.粉体喷搅法加固软土地基的应用[J].住宅科技.1994(12):18～19.